计算机组成原理-系统总线
1. 系统总线的定义
系统总线是计算机系统中各功能部件（CPU、存储器、I/O设备等）之间传递信息的公共通路，遵循统一的电气规范和时序协议，是计算机硬件互联的基础。
- 核心作用：实现数据、地址和控制信号的传输，协调各部件高效协作。
- 设计目标：提高传输效率、减少硬件复杂度、支持模块化扩展。
2. 系统总线的分类
根据传输内容的不同，系统总线分为三类：
(1) 数据总线（Data Bus）
- 功能：双向传输操作数、指令或结果。
- 宽度：决定计算机的字长（如64位系统的数据总线宽度为64位），直接影响单次数据传输量。
(2) 地址总线（Address Bus）
- 功能：单向传输CPU发出的地址信息，用于指定存储器单元或I/O端口。
- 宽度：决定系统的寻址空间（如32位地址总线可寻址(2^{32}=4)GB内存）。
(3) 控制总线（Control Bus）
- 功能：传输控制信号（如读/写、中断请求、时钟同步、总线请求/应答）。
- 特点：信号类型多样，方向可能为单向或双向。
3. 总线的结构
(1) 单总线结构
- 所有部件共享一条总线，结构简单但并发性差，易形成性能瓶颈（如早期PC的ISA总线）。
- 典型问题：总线争用（需通过总线仲裁解决）。
(2) 多总线结构
- 分层设计以提高并行性，例如：
- CPU-主存总线：高速专用总线连接CPU与内存（如前端总线FSB）。
- I/O总线：连接低速外设（如PCI、USB）。
- 扩展总线：通过桥接器互联不同总线层次（如北桥芯片连接FSB与PCIe）。
4. 总线的控制方式
(1) 总线仲裁
解决多个主设备（如CPU、DMA控制器）同时请求总线使用权的问题，常见策略：
- 集中式仲裁：由中央仲裁器分配总线使用权，分为：
- 链式查询：优先级固定，逻辑简单但灵活性差。
- 计数器定时查询：优先级可动态调整。
- 独立请求：响应速度快，硬件复杂度高。
- 分布式仲裁：各设备自主竞争总线（如以太网CSMA/CD）。
(2) 总线传输控制
- 同步传输：由统一时钟信号协调传输节奏（如PCI总线），时序简单但时钟频率受限于最慢设备。
- 异步传输：通过握手信号（如READY/ACK）控制传输，适应不同速度设备（如USB）。
5. 典型总线标准
- PCI（Peripheral Component Interconnect）：支持即插即用，广泛用于扩展卡（如显卡、网卡）。
- PCIe（PCI Express）：串行点对点传输，高带宽、低延迟（取代传统PCI总线）。
- USB（Universal Serial Bus）：热插拔、树形拓扑，支持多种外设（键鼠、存储设备）。
- SATA（Serial ATA）：专用于硬盘、光驱的高速串行接口。
6. 总线的性能指标
- 总线频率：时钟信号的频率（单位：MHz）。
- 总线带宽：单位时间传输的数据量（单位：MB/s），计算公式：
[
\text{带宽} = \text{总线宽度} \times \text{总线频率} \div 8 \quad（考虑字节单位转换）
] - 传输模式：突发传输（Burst Transfer）可提升连续数据块的传输效率。
7. 系统总线的特点
- 共享性：多个部件分时复用同一总线。
- 标准化：统一规范确保设备兼容性（如USB接口通用性）。
- 可扩展性：通过总线扩展槽添加新硬件（如PCIe插槽）。
8. 应用场景
- 多核CPU通信：通过总线共享缓存和内存数据（如Intel QPI总线）。
- 外设连接：键盘、打印机等通过总线与CPU交互。
- 嵌入式系统：精简总线（如AMBA总线）连接微控制器与传感器。